МУ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛА ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ. Часть1

Министерство образования и науки Российской Федерации
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДЗЕРЖИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра «Технология органических веществ»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛА ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Часть 1. Расчет фазовых равновесий.
Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам
“Основы проектирования оборудование предприятий
органического синтеза”
“Научные основы процессов разделения”
“Основы научных исследований и проектирование”
(для студентов специальностей 250100 и 250400 всех форм обучения)
Нижний Новгород
200х
Составитель: Н.А. Петровская, В.А. Колесников, А.В. Сулимов
УДК 661.7
Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам “Основы
проектирования и оборудование предприятий органического синтеза” и “Основы
научных исследований и проектирование” (для студентов специальностей 250100
и 250400 всех форм обучения) / НГТУ; Сост.: Н.А. Петровская, В.А. Колесников,
А.В. Сулимов. Н.Новгород, 2004. с.
Методические указания предназначены для студентов, изучающих
дисциплины “Основы проектирования и оборудование предприятий
органического синтеза” и “Основы научных исследований и проектирование”.
Изложена методика использования системы компьютерного моделирования
технологических процессов для расчета массообменных процессов. Приведены
примеры.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ
1.1 Условие фазового равновесия
1.2 Расчет константы фазового равновесия
1.3 Выбор модели для расчета константы фазового равновесия
2 РАБОТА С БАНКОМ ДАННЫХ ПО КОМПОНЕНТАМ
2.1 Доступ в банк данных
2.2 Создание пользовательского банка данных.
2.3 Создание списка компонентов
3 ВЫБОР МОДЕЛИ И РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ
В CHEMCAD
4 ВЫБОР МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭНТАЛЬПИИ
5 ПРИМЕРЫ
4.1 Расчет равновесия жидкость-пар
4.2 Расчет равновесия жидкость-жидкость
Литература
3
ВВЕДЕНИЕ
Массообменные процессы играют значительную роль в производствах
основного органического и нефтехимического синтеза. Наибольшее применение
эти процессы находят в системе разделения смесей продуктов, получающихся в
результате синтеза в реакционном устройстве. Эта система является наиболее
сложной. Часто на нее приходится более 70 % энергетических затрат на
производствах основного органического и нефтехимичекого синтеза.
Энергозатраты на разделение зависят от выбора технологической схемы
разделения, а выбор той или иной схемы определяется физико-химическими и
химическими свойствами как отдельных компонентов, так и разделяемых смесей
в целом. Поэтому, необходимо знать физико-химические свойства всех смесей,
составляющих первоначальную жидкую смесь.
Программа ChemCAD позволяет исследовать физико-химические свойства
отдельных компонентов, различных составляющих смеси (бинарные, тройные и
т.д), разделяемой смеси в целом. В составе ChemCAD имеется большая база
данных, содержащая как данные по физическим свойствам веществ, так и
параметры уравнений, позволяющих рассчитывать различные свойства веществ.
В данном методическом указании приведена методика расчета фазовых
равновесий жидкость-пар и жидкость-жидкость в бинарных и трехкомпонентных
системах с помощью Системы Компьютерного Моделирования Технологических
Процессов ChemCAD 5.х.х.
Общий порядок решения задачи в системе ChemCAD описан в /1/.
4
1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ
1.1 Условие фазового равновесия
Известно, что условием равновесия между фазами является равенство
температур (Т), давлений (Р) и химических потенциалов (µi) каждого из n
компонентов в каждой из k фаз:
Т(1) = Т(2) = … = Т(k) ; P(1) = P(2) = … = P(k) ; µi(1) = µi(2) = … µi(k); i = 1,2,…,n (1.1)
Однако, в технических расчетах более удобно использовать условие
равновесия, выраженное через другие термодинамические функции, такие как
фугитивность чистого компонента fio, парциальная фугитивность fi и активность ai
компонента:
dµi = RT dlnfio ; dµi = RT dlnfi ; Т = const
µi = µio(T,P) + RT lnai
(1.2)
Тогда условием равновесия между жидкостью и паром будет равенство
парциальных фугитивностей компонентов в паре fiV и жидкости fiL:
fiV = fiL , i = 1,2,…,n
(1.3)
Для расчета равновесия жидкость-жидкость используют условие равенства
активностей компонентов в первой ai(1) и второй жидкой фазе ai(2):
ai(1) = ai(2) , i = 1,2,…,n
(1.4)
Для расчета фугитивностей (fio, fi) активностей ai компонентов используют
такие функции, как коэффициент фугитивности чистого компонента φio,
коэффициент парциальной фугитивности φi и коэффициент активности γi
компонента:
fio = φioP ;
fi = Pφi yi ; fi = fioγi xi ; ai = γi xi
(1.5)
где xi и yi – мольные доли компонентов в жидкой и паровой фазах.
Расчет коэффициентов фугитивности φio и коэффициентов парциальной
фугитивности φi, которые зависят от температуры, давления и состава yi, проводят
на основе того или иного уравнения состояния (Соава-Редлиха-Квонга, ПенгаРобинсона и др.):
φio = φio(T,P, b1,b2,…,bm) ; φi = φi(T,P, y1 ,y2,…,yn, b1,b2,…bm),
(1.6)
5
где b1,b2,…,bm – параметры уравнения состояния.
Для расчета коэффициентов активности γi, которые зависят от температуры
и состава жидкости xi, используют специальные уравнения (Вильсона, NRTL,
UNIQUAC и др.):
γi = γi(T, x1,x2,…,xn, λ1,λ2,…,λm) ,
(1.7)
где λi – параметры уравнений.
1.2 Расчет константы фазового равновесия
Константа фазового равновесия жидкость-пар Ki для компонента i
определяется, как отношение мольной доли компонента в паре yi к мольной доле
компонента в жидкости xi в состоянии равновесия:
Ki = yi /xi
(1.8)
Для равновесия жидкость-жидкость константа фазового равновесия равна
отношению мольных долей компонентов во второй xi(2) и первой xi(1) фазе:
Ki = xi(2) / xi(1)
(1.9)
Если пар и жидкость можно описать каким-либо уравнением состояния, то
условие равновесия (1.3) будет иметь следующий вид:
PφiV yi = PφiLx i ,
(1.10)
а константа равновесия жидкость-пар может быть рассчитана по формуле:
Ki = φ iL /φ iV ,
(1.11)
где φiL и φiV – коэффициенты парциальной фугитивности компонента в
жидкой и паровой фазе (рассчитываются с использованием уравнения состояния).
Если жидкая фаза не может быть описана уравнением состояния, то условие
равновесия (1.3) можно записать следующим образом:
PφiV yi = fiLoγi xi
(1.12)
При этом константа фазового равновесия жидкость-пар будет равна:
Ki = fiLo γi / Pφ iV ,
(1.13)
6
fiL = Pi φiV π ,
o
o
o
π
1
=
RT
P
o
∫oV i dP ,
Pi
(1.14)
где fiLo – фугитивность чистого жидкого компонента при температуре и
давлении смеси;
Pio – давление насыщенного пара компонента;
φiVo- коэффициент фугитивности чистого компонента в паре;
π - коэффициент Пойнтинга;
Vio – молярный объем чистого жидкого компонента.
1.3 Выбор модели для расчета константы фазового равновесия
Выбор модели для расчета констант фазового равновесия определяется как
используемым диапазоном температур и давлений, так и свойствами самих
компонентов. Рассмотрим некоторые модели, используемые для расчета констант
равновесия жидкость-пар органических веществ:
- Паровая фаза – идеальный газ, жидкая фаза – идеальная смесь. Может
быть использована при небольших давлениях для систем, образованных
неполярными или малополярными веществами. В этом случае φiV = 1, γi =1, fiLo ≈
Pio и константа фазового равновесия равна:
Ki = Pio/P
(1.15)
- Компоненты смеси образуют регулярные растворы. Модель может быть
использована при любых температурах и давлениях для систем, образованых
неполярными или малополярными веществами, сходными по строению,
например, одного гомологического ряда (применима в основном для
углеводородных систем):
Ki = φ iL /φ iV
(1.16)
Коэффициенты парциальной фугитивности рассчитываются по тому или
иному уравнению состояния, которое применимо для данных компонентов в
данных условиях.
- Паровая фаза – идеальный газ, жидкая фаза – неидеальная смесь. Эта
модель применима для любых смесей при небольших давлениях (менее одной
атмосферы) при условии, что компоненты смеси не образуют ассоциатов в
паровой фазе. При этих допущениях φiV = 1, fiLo ≈ Pio, а константа фазового
равновесия рассчитывается по формуле:
Ki = Pio γi / P
(1.17)
Модель используется для полярных и сильно неидеальных систем.
Наиболее часто для расчета коэффициентов активности используются уравнения
UNIQUAC, UNIFAC, Wilson, NRTL.
7
Уравнение Вильсона (Wilson) не пригодно для описания систем с
расслаиванием жидкой фазы, однако различные его модификации используются и
для расчета равновесия жидкость-жидкость. Системы с расслаиванием жидкой
фазы хорошо описывает уравнение NRTL. Модель NRTL более проста по
сравнению с UNIQUAC, которая тоже позволяет описывать равновесие жидкостьжидкость. Но UNIQUAC превосходит NRTL по точности расчетов, так как
параметры этого уравнения проявляют меньшую зависимость от температуры.
UNIQUAC лучше описывает системы, содержащие вещества, молекулы которых
значительно различаются по размерам.
Если параметры того или иного уравнения для расчета коэффициентов
активности отсутствуют – используют уравнение UNIFAC.
UNIFAC – это модель, основанная на предположении об аддитивности
вкладов различных функциональных групп в термодинамические свойства
компонентов смесей. UNIFAC плохо описывает системы с расслаиванием жидкой
фазы, не используется для расчетов при высоких давлениях и температурах. Но
эта модель более универсальна и обеспечивает точность предсказания
коэффициентов активности, достаточную, для технологических целей.
- Паровая и жидкая фазы – неидеальные смеси. Наиболее универсальная
модель. Константа равновесия рассчитывается по формулам (1.13)-(1.14). Паровая
фаза описывается уравнением состояния SRK, коэффициент активности
рассчитывается по указанным выше уравнениям.
- Модель Генри. Предполагается, что паровая фаза – идеальный газ, а
жидкая фаза – идеальная смесь:
Ki = Hi /P
(1.18)
Модель используется при небольших давлениях для компонентов,
концентрация которых в жидкой фазе близка к нулю. Предполагается, что
зависимость константы Генри Hi от температуры известна.
2 РАБОТА С БАНКОМ ДАННЫХ ПО КОМПОНЕНТАМ
ChemCAD содержит большую базу данных по компонетам, с описанием их
свойств. Наряду с данными по физико-химическим свойствам, программа
содержит параметры бинарного взаимодействия (BIP’s), которые можно
использовать при расчетах коэффициентов активности по уравнениям NRTL,
UNIQUAC, Margules, Wilson, и др.
2.1 Доступ в банк данных
Доступ в банк данных осуществляется при последовательном выполнении
команд Databank(Банк Данных) и View-Edit (просмотр/редактирование) в меню.
В результате, в рабочем окне программы появляется окно банка данных (рис.1)
8
Рис.1 Банк данных по компонентам
Поиск нужного компонента возможен при введении в строку Search(поиск)
либо порядкового номера, либо брутто-формулы компонента, либо названия
соединения на английском языке. Обычно, в банке данных находятся несколько
компонентов, удовлетворяющих поисковому запросу. Для просмотра их всех и
выбора нужного выполняется команда Next (следующий). После выбора
компонента выполняется команда ОК, в результате которой открывается окно
просмотра и редактирования свойств компонента View-Edit Component. При
работе с этим окном возможно выполнение следующих команд:
Synonyms – при выполнении команды на экран выводится стандартное
название соединения и его синонимы.
Formulas – показывается брутто-формула соединения.
Minimum Required Data (минимально-требуемые данные) – В этом окне
приведены молекулярный вес компонента, критические давление и температура,
факторы ацентричности, коэффициенты, для расчета теплоемкости в состоянии
идеального газа.
Basic Data (основные данные) – Набор основных свойств компонента:
молекулярная масса, критические T, P, V, температура плавления, нормальная
температура кипения, теплота образования и энергия Гиббса в состоянии
идеального газа и фактор ацентричности.
Для расчета физических свойств компонентов в зависимости от температуры
программа использует так называемые библиотечные уравнения, каждое из
которых имеет свой номер и содержит пять параметров. Для каждого вещества
указана минимальная и максимальная температура применимости данного
9
уравнения. Чтобы посмотреть вид того или иного уравнения необходимо открыть
справочную систему (меню Help) и в уразделе Component Databank выбрать
пункт Library Equations (библиотечные уравнения). Для расчета свойств могут
быть использованы и другие уравнения, параметры которых также имеются в
банке данных.
Ниже приведены команды, позволяющие посмотреть параметры библиотечных
уравнений, для расчета тех или иных свойств:
Density Data (данные по плотностям) – параметры для расчета плотности в
жидком и твердом состоянии.
Vapor Pressure and Hov Data – параметры для расчета давления насыщенного
пара и теплоты парообразования.
Heat Capacity Data (данные по теплоемкости) – параметры для расчета
теплоемкости в состоянии идеального газа, жидкого и твердого вещества.
Viscosity Data (данные по вязкости) – параметры для расчета вязкости
жидкости и газа.
Тherm. Cond. and Surf. Tens. (теплопроводность и поверхностное натяжение)
– параметры для расчета теплопроводности газа и жидкости, а также
поверхностного натяжения.
UNIFAC Group Data (подгруппы UNIFAC) – номера и число подгрупп
уравнения UNIFAC.
Other Data (другие данные) – другие свойства, в том числе параметры не
библиотечных уравнений для расчета физических свойств.
Electrolyte Data (данные по электролитам)
Сlasses (классы) – класс компонента.
Команда View-Edit дает лишь возможность просмотра значений свойств
компонента из стандартного банка данных. Для изменения свойства компонента,
необходимо создать копию записи для данного компонента с помощью команды
Copy component (копирование компонента). Копия будет помещена в
пользовательский банк данных.
2.2 Создание пользовательского банка данных.
ChemCAD позволяет ввести в пользовательский банк данных до 2000 новых
компонентов. Для этого в меню ThermoPhisical выполняется команда
New
Component (новый компонент). Появится окно, в котором будет предложено
ввести название компонента, формулу, молекулярную массу, относительную
плотность и нормальную температуру кипения.
Свойства компонента могут быть рассчитаны по методам групповых
составляющих UNIFAC и Joback (метод Лидерсена). Метод Лидерсена применим
для оценки свойств любых типов компонентов – углеводородов, синтетических
продуктов, полярных и неполярных веществ. Для расчета физических свойств
компонентов по методу групповых составляющих достаточно данных по
молекулярной массе и структуре компонента, но для более точного расчета
желательно ввести температуру кипения и плотность вещества. Далее следует
ввести данные о групповых составляющих соединения, введя данные либо в окно
10
New component UNIFAC Groups или в окно Group Assignment при расчете по
методу Лидерсена.
Команда Pseudo-component позволяет описать новый компонент как
псевдокомпонент, свойства которого будут рассчитаны по эмпирическим
формулам. Метод используется только для углеводородных смесей.
В поле окна New component следует ввести название компонента,
нормальную температуру кипения и либо относительную плотность, либо
плотность в градусах API. В окне Hydrocarbon correlation будет предложено
выбрать методы для расчета молекулярной массы и критических свойств.
После создания нового компонента, автоматически запускается окно ViewEdit Component, в котором можно просмотреть рассчитанные программой
данные или отредактировать их, заменив на любые доступные
экспериментальные значения.
2.3 Создание списка компонентов
Для проведения расчетов в ChemCAD сначала создается список
используемых компонентов в окне Сomponent Selection (рис.2), редактирование и
просмотр которого возможен после выполнения команды Component List в меню
ThermoPhisical.
Рис 2. Окно создания списка компонентов.
Выбор используемых компонентов из банка компонентов делается при
выполнении команд Add или Insert.
11
Удаление уже внесенного компонента из пользовательского листа компонентов
возможно при выполнении команды Delete. Очистка всего списка – при
выполнении команды Сlear.
3 ВЫБОР МОДЕЛИ И РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ ФАЗОВОГО
РАВНОВЕСИЯ В CHEMCAD
Для того, чтобы задать метод, по которому будет рассчитываться константа
равновесия в меню ThermoPhisical выбирается команда К-Value.
Рис. 3. Окно выбора модели расчета константы фазового равновесия.
В окне К-Value Options выбирается модель для расчета константы фазового
равновесия. Выбранная модель будет использована во всех расчетных модулях
(глобальная модель).
Если в списке Global K-value Options выбрано то или иное уравнение
состояния, то расчет константы фазового равновесия будет проводиться по
формуле (1.16), в которой коэффициенты парциальной фугитивности будут
рассчитаны с использованием выбранного уравнения.
Если в списке Global K-value Options выбрано уравнение для расчета
коэффициента активности, а в функции Vapor Fugacity/Poynting Correction
(поправка Пойнтинга при расчете фугитивности) выбрана опция No
Correction (Нет поправки), то константа будет рассчитана по формуле (1.17).
При выборе опции Correction константа фазового равновесия
рассчитывается по формулам (1.13)-(1.14), при этом паровая фаза будет описана
12
уравнением состояния SRK (Соава-Редлиха-Квонга). Данная опция рекомендуется
при давлении больше 3 атм.
При выборе в списке Global K-value Options опции Henry’s law, константа
будет рассчитана по формуле (1.15), а опции Ideal Vaper Pressure – по формуле
(1.18).
Функция (Ethane/Ethylene, Propane/Propylene) (Этан/этилен и пропан
/пропилен) используется при расчета равновесия в углеводородных системах,
содержащих эти компоненты, и позволяет выбрать набор BIP’s для уравнений
состояния SRK и Рeng-Robinson.
Функция SRK/PR Alpha Function – позволяет выбрать метод расчета
параметра α , в уравнениях состояния SRK и Рeng-Robinson.
Vapor Phase Association (ассоциация в паровой фазе) – опция дает
возможность учесть эффект ассоциации молекул в паровой фазе. Эта опция
применяется, например, для карбоновых кислот, которые димеризуются, или даже
полимеризуются в паровой фазе.
Команда Global Phase Option позволяет определить систему как
двухфазную
Vapor/Liquid/Solid
(жидкость-пар)
или
трехфазную
Vapor/Liquid/Liquid/Solid (жидкость-жидкость-пар).
No. of BIP Sets. – номер набора BIP’s. CHEMCAD позволяет иметь до
десяти наборов параметров бинарного взаимодействия уравнения для расчета
коэффициентов активности.
Default BIP Set - показывает, какой набор BIP используется программой
для расчетов по умолчанию.
Set Local K/BIP Model (задать локальную модель) – позволяет выбрать
единицы оборудования, для которых расчет константы равновесия будет
производится по другой, отдельно заданной, модели.
Clear All Local K model (стереть локальные модели). Ответ «да» позволит
удалить локальные модели.
SetTray BIP (задать BIP’s на тарелке) – опция позволяет выбрать колонны
для задания наборов BIP’s на тарелках.
Set Henry's Comp - позволяет выбрать компоненты, для которых константа
равновесия будет рассчитана по закону Генри. Для других компонентов будет
использована выбранная глобальная модель.
4 ВЫБОР МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭНТАЛЬПИИ
Для выбора модели, по которой будет рассчитана энтальпия системы
необходимо в меню ThermoPhisical выбрать команду Enthlpy.
В появившемся окне Enthlpy Options (рис. 4) задаются следующие
параметры:
В списке Global Enthalpy Option – выбирается модель, по которой будет
рассчитана энтальпия.
При выборе опции Latent Heat (Скрытая теплота), энтальпия
рассчитывается по формулам:
13
T
H L = ∆H 298
f ( L ) + ∫ C pL dT
(4.1)
298
T
H V = ∆H L (bubble ) + H V ( atbabble ) +
∫C
pV
dT , где
(4.2)
Tbubble
H L , H V - энтальпии жидкости и пара соответственно.
C pL , C pV - теплоемкости жидкости и пара соответственно.
∆H 298
f ( L ) - стандартная теплота образования жидкости (при 298 К).
∆H L (bubble ) - энтальпия жидкости при температуре кипения и давлении в
системе
H V (atbabble ) - теплота парообразования при температуре кипения
Данная модель наиболее приемлема для большинства систем.
Рекомендуется применять в том случае, когда для расчета констант фазового
равновесия используются модели, основанные на расчете коэффициентов
активности.
Рис 4. Окно выбора модели для расчета энтальпии
Если в списке Global Enthalpy Option выбрано уравнение состояния, то
энтальпия будет рассчитываться по формуле:
H = H* + ((H-H*)/RT)⋅ RT
H* = ∆H298f(V) +
(4.3)
T
∫C
pV
dT ,
(4.4)
298
где H – энтальпия компонента или смеси при температуре Т и давлении Р.
14
H* - энтальпия в состоянии идеального газа при температуре Т.
((H-H*)/RT) – отклонение энтальпии от состояния идеального газа –
рассчитывается по выбранному уравнению состояния.
R – универсальная газовая постоянная.
∆H298f(V) – стандартная энтальпия образования газа (идеальный газ,
Т=298,15К).
сpV – теплоемкость в состоянии идеального газа.
Данная модель может быть использована тогда, когда пар и жидкость могут
быть описаны каким-либо уравнением состояния. Рекомендуется использовать
одно и то же уравнение состояния для расчета константы фазового равновесия и
расчета энтальпии.
Возможно использование и других моделей, представленных в списке:
Ideal Gas Heat Capacity (теплоемкость идеального газа). ChemCAD
рассчитывает теплоемкость идеального газа либо с использованием
полиномиального уравнения с расчетными параметрами либо с использованием
уравнения из библиотеки с эмпирическими параметрами.
Use heat of solution file (использовать файл теплоты растворения) –
используется файл ASCII, который содержит данные по теплоте смешения
компонентов.
Use electrolyte enthalpy - модель для электролитов, позволяющая учесть
теплоту диссоциации при расчете энтальпии. Функция не имеет никакого
значения для системы неэлектролитов.
Clear Local H model – команда позволяет отменить все локальные модели
для расчета энтальпии.
Set Local H Model - опция позволяет задать локальную модель для расчета
энтальпии.
Heat of Mixing by Gamma – опция предусматривает расчет теплоты
смешения компонентов с использованием коэффициентов активности, однако
такой метод может давать большие погрешности.
5 ПРИМЕРЫ
5.1 Расчет равновесия жидкость-пар
Пример 1.
Рассчитать равновесие жидкость-пар для бинарной системы изопропиловый
спирт-вода при Р=1 атм. Построить диаграммы фазового равновесия в
координатах х-у и T-х,у.
Порядок расчета:
Создадим папку под именем ИПС-вода для хранения файлов решаемой
задачи.
Выберем в окне Engineering units (меню Format) за основу систему единиц
измерения СИ, но температуру будем измерять оС, , а давление в – атм.
Создадим список список компонентов выполнив команду Component List.
15
Для расчета константы фазового равновесия выбираем модель UNIFAC.
Зададим это уравнение в окне К-Value Options. В системе изопропиловый спиртвода нет расслаивания в жидкой фазе, поэтому в опции Global Phase Option
определяем систему как двухфазную (Vapor/Liquid/Solid). Необходимо указать,
что система не образует ассоциатов в паровой фазе. Больше для этой системы
никаких параметров в окне К-Value Options вводить не стоит.
Для выбора модели расчета энтальпии выполним команды ThermoPhysicalEnthalpy. В списке Global Enthalpy Option выберем модель Latent.
Установленные по умолчанию опции для расчета других свойств оставим без
изменения. Их можно посмотреть или изменить, выполнив команды
ThermoPhysical-Transport Properties. Для просмотра термодинамических
параметров, используемых для расчета нашей системы в меню Results
выполняется команда Thermodynamic.
Рис. 5. окно TPXY Options
Для вывода на экран результатов расчета и диаграмм равновесия жидкостьпар в координатах х-у и T-x,y в меню Plots (графики) выбирается команда TPXY.
В появившемся окне TPXY Options (рис. 5) задаются компоненты бинарной
системы.
Расчет проводим при постоянном давлении Р=1 атм. В опции Mode
выбирается Constant Pressure, в опции Specify Pressure задается значение
давления.
В опции No. of points задается число расчетных точек. Если в этом окне
ничего не задано, то программа выполнит по умолчанию расчет для 20 точек.
После выполнения всех требуемых команд в окне TPXY Options и нажатия
OK на экране открываются 3 файла с результатами расчетов:
16
XY data for Isopropanol / Water
K value model: UNIF
Mole Fractions
T Deg C
P atm
99.998
1.000
82.437
1.000
81.851
1.000
81.556
1.000
81.126
1.000
80.704
1.000
80.409
1.000
80.323
1.000
80.522
1.000
81.132
1.000
82.471
1.000
X1
0.00000
0.10000
0.20000
0.30000
0.40000
0.50000
0.60000
0.70000
0.80000
0.90000
1.00000
Y1
0.00000
0.50838
0.52354
0.53430
0.55652
0.59070
0.63648
0.69446
0.76723
0.86193
1.00000
Gamma1
16.163
5.091
2.682
1.846
1.467
1.267
1.151
1.080
1.036
1.010
1.000
Gamma2
1.000
1.058
1.181
1.335
1.509
1.700
1.910
2.148
2.435
2.818
3.414
2. Диаграмма равновесия жидкость-пар в координатах T-x,y
17
3. Диаграмма равновесия жидкость-пар в координатах х-у.
Пример 2
Для
системы
метанол-ацетон-н-гексан
построить
диаграмму
дистилляционных линий при давлении 3 атм. Определить составы бинарных и
тройных азеотропов.
Порядок расчета:
Создадим папку под именем Азеотроп для хранения файлов решаемой
задачи.
Выберем в окне Engineering units (меню Format) за основу систему
единиц измерения СИ, но температуру будем измерять в оС, а давление в – атм.
Создадим список компонентов выполнив команду Component List.
Для расчета константы фазового равновесия выбираем модель NRTL.
Зададим это уравнение в окне К-Value Options. В опции Global Phase Option
определяем систему как трехфазную (Vapor/Liquid/Liquid/Solid). Система не
образует ассоциатов в паровой фазе.
Для выбора математической модели расчета энтальпии выполним команды
ThermoPhysical-Enthalpy. В списке Global Enthalpy Option выберем модель
Latent.
Для построения концентрационного треугольника в меню Plots
выполняется команда Residue Curve Map (рис. 6).
18
Рис. 6. окно Residue Curve Map
В полях First, Second и Third component указывают интересующие вас
компоненты. В поле Specify Pressure задаем давление – 3 атм. Выполняем
команду ОК. На экране появится треугольная диаграмма равновесия жидкость –
пар:
На диаграмме показаны дистилляционные линии, сходящиеся в точках,
отвечающих составам азеотропов.
19
Ниже диаграммы указаны температуры кипения чистых веществ, составы и
температуры кипения азеотропов при заданном давлении:
Bubble point at 3.00 atm
Acetone =
92.251 C
Methanol = 95.277 C
N-Hexane = 109.289 C
Binary Azeotrope
(Methanol, N-Hexane)=(0.559,0.441) at 80.451 C
(Acetone, N-Hexane)=(0.658,0.342) at 85.757 C
(Acetone, Methanol)=(0.602,0.398) at 89.088 C
Ternary Azeotrope
(0.094, 0.495, 0.410) at 80.341 C
5.2 Расчет равновесия жидкость-жидкость
Пример
Для системы ИПС-вода-диизопропилоый эфир рассчитать равновесие
жидкость-жидкость при давлении 1 атм и температуре 40 0С.
Порядок расчета:
Система с расслаиванием жидкой фазы, выбираем для расчета константы
равновесия модель UNIFAC LLE в окне К-Value Options. Для расчета энтальпии
– латентную модель расчета энальпии в окне Enthalpy.
Так как система с расслаиванием жидкой фазы, в окне К-Value в опции
Global Phase Option определяем систему как трехфазную (LLV).
Необходимо указать, что система не образует ассоциатов в паровой фазе.
Для расчета равновесия жидкость-жидкость необходимо выполнить
команду Binodal Curve Construction в меню Plots.
В появившемся окне указывают первый второй и третий компоненты
системы. Важно указать компоненты так, чтобы первый и третий компоненты
образовывали смесь с расслаиванием жидкой фазы. В нашем случае это пара
компонентов вода –диизопропиловый эфир.
В поле Temperature указываем температуру 40 0С.
После выполнения команды ОК на экран выводятся текстовый файл с
результатами расчета:
Computed Binodal Curve in Mole Percent:
(1) = Water
(2) = Isopropanol
(3) = DiisopropylEther
Left Phase
(1)
(2)
99.973
0.000
96.739
3.199
94.741
5.165
93.562
6.327
91.120
8.754
88.360
11.518
83.164
16.709
(3)
0.027
0.062
0.094
0.111
0.127
0.122
0.127
Right Phase
(1)
(2)
2.000
0.000
7.640
20.000
23.500
38.619
43.500
42.404
63.500
33.619
73.500
25.753
83.164
16.678
(3)
98.000
72.360
37.881
14.096
2.881
0.747
0.158
20
и файл программы с диаграммой равновесия жидкость-жидкость:
21
Литература
1. “Проектирование реакционного узла. Часть 1. Методические укзания.
2. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей — Л.: Химия,
1982.
3. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: в 2-х. Ч 1. – М.:
Мир, 1984
22